Электрохимические методы контроля и защиты окружающей среды. Кравченко Т.А - 40 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

ВГУ | Воронеж

Составители: 

Рубрика: 

40
Задача 3.
Толщина диффузионного слоя Нернста зависит от свойств
раствора, в который погружен электрод. Для обычных водных непереме-
шиваемых растворов толщина нернстова диффузионного слоя составляет
0,3 – 0,5 мм, но при интенсивном перемешивании раствора она может сни-
зиться до 0,01 – 0,001 мм. Оцените, какой будет результат, если 100 см
3
раствора, содержащего 10 ммоль/л ионов Ag
+
и 10 ммоль/л ионов Cu
2+
,
подвергнуть электролизу до достижения: а) максимального теоретически
возможного разделения ионов меди и серебра; б) максимального разделе-
ния при постоянной силе тока; в) максимального разделения при постоян-
ном потенциале. В качестве необходимых данных примите, что фактиче-
ская площадь электрода S = 20см
2
, толщина нернстова диффузионного
слоя δ с помощью перемешивания поддерживается на уровне 0,001 мм, а
точность регулирования потенциала Е составляет ± 10 мВ.
Решение.
а) Максимально возможное разделение
.
Если через ячейку не протекает ток, то потенциалы систем Cu
2+
/Cu и
Ag
+
/Ag являются их равновесными потенциалами, определяемыми уравне-
нием Нернста; концентрация каждого из этих двух веществ равна их кон-
центрации в массе раствора. Для данных условий
o
Ag
2
RT
E(Ag / Ag) E lnc ;
F
E(Ag / Ag) 0,80 0,059lg10 0,68 B.
+
+
+−
=+
=+ =
2+
2+ o
Cu
2+ 2
RT
E(Cu /Cu) E lnc ;
2F
E(Cu /Cu) 0,34 0,029lg10 0,28 B.
−
=+
=+ =
В процессе электролиза серебро осаждается на электроде в первую оче-
редь, поскольку оно восстанавливается легче меди; когда Е
становится равным
+ 0,28 В, на электроде начинает осаждаться медь. В этот момент концентрацию
оставшегося в растворе серебра можно рассчитать по уравнению
Е = + 0,28 = + 0,80 + 0,059 lg
Ag
c
+
.
Поскольку lg
Ag
c
+
= –0,52/0,059 = –8,7, то
Ag
c
+
= 2⋅10
-9
моль/л. В этот момент
2+
Cu
c
= 10
-2
моль/л, то есть равна исходной концентрации Сu
2+
, так как на элек-
троде не осадилось пока заметного количества меди.
Таким образом, теоретическое максимально возможное разделение ионов
Сu
2+
и Ag
+
имеет место в тот момент, когда концентрация ионов Ag
+
становится
равной 0,00002% концентрации ионов Сu
2+
вне зависимости от длительности
электролиза.
б) Электролиз при постоянной силе тока.
Электрический ток, который протекает через электролит за счет только
ионов серебра, может достигать некоторой максимальной величины. Любое
превышение максимально допустимого тока приводит к появлению другой па-
раллельной электрохимической реакции на электроде, и в первую очередь к 
                                       40
     Задача 3. Толщина диффузионного слоя Нернста зависит от свойств
раствора, в который погружен электрод. Для обычных водных непереме-
шиваемых растворов толщина нернстова диффузионного слоя составляет
0,3 – 0,5 мм, но при интенсивном перемешивании раствора она может сни-
зиться до 0,01 – 0,001 мм. Оцените, какой будет результат, если 100 см3
раствора, содержащего 10 ммоль/л ионов Ag+ и 10 ммоль/л ионов Cu2+,
подвергнуть электролизу до достижения: а) максимального теоретически
возможного разделения ионов меди и серебра; б) максимального разделе-
ния при постоянной силе тока; в) максимального разделения при постоян-
ном потенциале. В качестве необходимых данных примите, что фактиче-
ская площадь электрода S = 20см2, толщина нернстова диффузионного
слоя δ с помощью перемешивания поддерживается на уровне 0,001 мм, а
точность регулирования потенциала Е составляет ± 10 мВ.
     Решение.
а) Максимально возможное разделение.
     Если через ячейку не протекает ток, то потенциалы систем Cu2+/Cu и
Ag+/Ag являются их равновесными потенциалами, определяемыми уравне-
нием Нернста; концентрация каждого из этих двух веществ равна их кон-
центрации в массе раствора. Для данных условий
                                        RT
                   E(Ag + / Ag) = E o +    ln cAg+ ;
                                         F
                   E(Ag + / Ag) = 0,80 + 0,059lg10−2 = 0,68 B.
                                        RT
                   E(Cu 2+ /Cu) = E o +    ln cCu 2+ ;
                                        2F
                   E(Cu 2+ /Cu) = 0,34 + 0,029lg10−2 = 0, 28 B.
     В процессе электролиза серебро осаждается на электроде в первую оче-
редь, поскольку оно восстанавливается легче меди; когда Е становится равным
+ 0,28 В, на электроде начинает осаждаться медь. В этот момент концентрацию
оставшегося в растворе серебра можно рассчитать по уравнению
                       Е = + 0,28 = + 0,80 + 0,059 lg c Ag + .
Поскольку lg c Ag + = –0,52/0,059 = –8,7, то c Ag + = 2⋅10-9 моль/л. В этот момент
cCu 2+ = 10-2 моль/л, то есть равна исходной концентрации Сu2+, так как на элек-
троде не осадилось пока заметного количества меди.
       Таким образом, теоретическое максимально возможное разделение ионов
Сu и Ag+ имеет место в тот момент, когда концентрация ионов Ag+ становится
   2+

равной 0,00002% концентрации ионов Сu2+ вне зависимости от длительности
электролиза.
б) Электролиз при постоянной силе тока.
       Электрический ток, который протекает через электролит за счет только
ионов серебра, может достигать некоторой максимальной величины. Любое
превышение максимально допустимого тока приводит к появлению другой па-
раллельной электрохимической реакции на электроде, и в первую очередь к

Страницы